CN110701188A - 一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,其外部有A端盖(70A)、B端盖(70B)、A中心通孔(70C);其内部有A簧片(1)、B簧片(2)、C簧片(3)、D簧片(4)。轴向保护轴承利用簧片与通孔相结合的结构设计,在转子失稳产生巨大冲击时,能利用簧片自身的弹性变形吸收掉大量的转子动能,而不至于损坏高速旋转磁悬浮机构中内部其他零部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴向保护轴承,更特别地说,是指一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承。
背景技术
近年来,随着磁悬浮技术的进步,高速磁悬浮电机迅速发展,其具有转速高、功率密度高、小体积、响应快和可直接驱动负载等优点,广泛应用于高速磁悬浮鼓风机、磁悬浮超高真空分子泵、磁悬浮储能飞轮和磁悬浮力矩陀螺等高速旋转设备。磁轴承的承载能力是通过设计确定的,且受尺寸大小限制,如果实际载荷超过这一承载能力,或者磁轴承的支承因某种原因失效了,转子将不再处于悬浮状态而会与机械边界发生触碰。为了在这一跌落碰撞中避免造成转子上的叠片结构和磁轴承定子损坏,安装了保护轴承。保护轴承起着临时支撑转子和保护定子系统的作用。
磁悬浮技术具体是指磁悬浮轴承(或称磁轴承)技术,是利用电磁力将转子悬浮起来,以代替传统的机械轴承支撑。磁轴承可以克服机械轴承擦损耗大的缺点,运行过程中转子无任何机械接触,无摩擦、无润滑,提高了机械寿命。因此其转速可以非常高,通常在10000rpm~60000rpm之间。其几何尺寸远小于输出功率相同的常规旋转设备,有效地节约了材料,大幅度提高了设备的能量密度。磁悬浮技术使得直接驱动负载变成可能,无需增速机构,减小了系统体积,可实现零传动损耗运行,效率高,大大降低了运行噪声。
高速磁悬浮电机中的保护轴承具有以下三个作用:
(1)工作时起到保护作用,主要体现在对磁轴承的保护。
(2)停止时起到支撑作用,主要体现在对转子的保护。
(3)调式时起到辅助作用,主要体现在对控制系统的保护。
2017年3月第25卷第3期《光学精密工程》,高速磁悬浮永磁电机多物理场分析及转子损耗优化,作者韩邦成等,在“高速磁悬浮永磁电机结构”中公开了保护轴承。电机使用3个机械轴承作为保护轴承,以防止磁轴承失稳情况下定转子之间发生碰撞。
用于磁轴承的传统滚珠保护轴承存在先天的缺陷。磁悬浮转子一般工作在数万转每分,能量密度较高,当失稳现象发生时,高速转子会突然与保护轴承发生碰撞,并带动保护轴承一起转动。有可能导致轴承保持架的机械损坏。使转子继续与设备内部其他组件如磁轴承和电机定子等发生碰撞,导致设备报废。或由于摩擦生热会使滚珠和轴承膨胀,导致保护轴承卡死停转。为了克服滚珠式保护轴承这种先天的缺陷,本发明设计一种柔性簧片式轴向保护轴承结构,该结构无滚珠轴承,且避免了因转子在高速下跌落摩擦产生大量的热而发生熔焊现象,进而造成轴向冲击载荷致使转子损坏。
发明内容
为了避免磁悬浮机构上的转子与轴向磁轴承发生碰撞,本发明设计了一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承。本发明的柔性簧片轴向保护轴承,在转子失稳产生巨大轴向冲击时,能利用柔性簧片自身的弹性变形吸收掉大量的转子动能而不损坏高速磁悬浮电机内部的其他零部件。本发明设计的轴向为柔性,可通过轴向的柔性变形提高受到冲击后的轴承的缓冲能力,减小了摩擦生热,避免了轴承发生熔焊的现象。
本发明设计了一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,轴向保护轴承安装在转子(10)的推力盘40的两端;其特征在于:柔性簧片轴向保护轴承的外部有A端盖(70A)、B端盖(70B)、A中心通孔(70C);轴向保护轴承的内部有A簧片(1)、B簧片(2)、C簧片(3)、D簧片(4);
A端盖(70A)的内面板与A簧片(1)的一端、C簧片(3)的一端的接合处有A通孔(11)。
A端盖(70A)的内面板与C簧片(3)的另一端、B簧片(2)的一端的接合处有B通孔(12)。
A端盖(70A)的内面板与C簧片(3)的两端的接合处有G通孔(17)。
B端盖(70B)的内面板与A簧片(1)的另一端、D簧片(4)的一端的接合处有D通孔(14)。
B端盖(70B)的内面板与D簧片(4)的另一端、B簧片(2)的另一端的接合处有C通孔(13)。
B端盖(70B)的内面板与D簧片(4)的两端的接合处有H通孔(18)。
A簧片(1)、C簧片(3)和D簧片(4)的接合处有E通孔(15)。
B簧片(2)、C簧片(3)和D簧片(4)的接合处有F通孔(16)。
本发明设计的柔性簧片轴向保护轴承能够用作高速磁悬浮永磁电机的轴向保护轴承。
本发明柔性簧片轴向保护轴承的优点在于:
①本发明的柔性簧片轴向保护轴承以簧片与通孔的弹性应变能的方式吸收掉转子大部分转动动能,能够承受大惯量失稳转子的瞬间高频无序撞击产生的轴向冲击载荷,避免转子和定子、磁轴承等零部件发生刚性撞击导致损坏,提高了磁悬浮系统使用寿命。
②本发明的柔性簧片轴向保护轴承代替了传统滚珠轴承,使磁悬浮设备在总体设计阶段能够将用于轴向磁轴承的轴向保护轴承作为磁悬浮系统的一部分进行总体优化设计,尤其是磁轴承保护轴部分更加紧凑合理。
③本发明的柔性簧片轴向保护轴承自身具有弹性变形能力,无需附加弹性构件,降低了磁悬浮系统的复杂性,提高了可靠性。
④本发明的柔性簧片轴向保护轴承采用一体化加工,避免了装配间隙,提高了磁悬浮系统的精度。
附图说明
图1是本发明轴向保护轴承与转子的装配图。
图1A是本发明轴向保护轴承与转子、径向轴承的装配图。
图1B是本发明轴向保护轴承与转子、径向轴承的另一视角装配图。
图2是本发明轴向保护轴承的结构图。
图2A是本发明轴向保护轴承的图片。
图2B是本发明轴向保护轴承的A-A剖的内部结构图。
图2C是本发明轴向保护轴承的内部结构的局部放大图。
图3是本发明轴向保护轴承的承受载荷的示意图。
图3A是本发明轴向保护轴承在承受载荷时的翅片分布图。
图4是本发明轴向保护轴承的尺寸标注图。
图5是本发明轴向保护轴承在不同簧片厚度下的保护轴承刚度曲线。
图6是本发明轴向保护轴承在不同厚度簧片下的应变能-位移的关系曲线。
1.A簧片 | 2.B簧片 | 3.C簧片 |
4.D簧片 | 11.A通孔 | 12.B通孔 |
13.C通孔 | 14.D通孔 | 15.E通孔 |
16.F通孔 | 17.G通孔 | 18.H通孔 |
10.转子 | 20.轴套 | 30.径向保护轴承 |
40.推力盘 | 50.A挡圈 | 60.B挡圈 |
70.A轴向保护轴承 | 70A.AA端盖 | 70B.AB端盖 |
70C.A中心通孔 | 70D.A翅片 | 70E.B翅片 |
70F.C翅片 | 70G.D翅片 | 80.B轴向保护轴承 |
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图1A、图1B所示,本发明设计的柔性簧片轴向保护轴承与转子10安装时,需要结构相同的两个柔性簧片轴向保护轴承同时装配,所述转子10可以是高速磁悬浮永磁电机的转子。在高速磁悬浮永磁电机中保护轴承分为径向保护轴承和轴向保护轴承,如图1A、图1B所示,即转子10的一端的推力盘40的一端安装A轴向保护轴承70,且A轴向保护轴承70外部设有A挡圈50;推力盘40的另一端安装B轴向保护轴承80,且B轴向保护轴承80外部设有B挡圈60。转子10的另一端的轴套20上安装有径向轴承30。
参见图2、图2A、图2B、图2C所示,本发明的一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,轴向保护轴承为一体成型结构件,轴向保护轴承的外部(如图2)有A端盖70A、B端盖70B、A中心通孔70C;轴向保护轴承的内部(如图2B、图2C)有A簧片1、B簧片2、C簧片3、D簧片4。在图2C中标注出虚线,虚线是为了更佳清楚说明轴向保护轴承内部的四个簧片分布及构型。
A端盖70A的内面板与A簧片1的一端、C簧片3的一端的接合处有A通孔11。
A端盖70A的内面板与C簧片3的另一端、B簧片2的一端的接合处有B通孔12。
A端盖70A的内面板与C簧片3的两端的接合处有G通孔17。
B端盖70B的内面板与A簧片1的另一端、D簧片4的一端的接合处有D通孔14。
B端盖70B的内面板与D簧片4的另一端、B簧片2的另一端的接合处有C通孔13。
B端盖70B的内面板与D簧片4的两端的接合处有H通孔18。
A簧片1、C簧片3和D簧片4的接合处有E通孔15。
B簧片2、C簧片3和D簧片4的接合处有F通孔16。
在本发明中,轴向保护轴承采用的材料是镍基弹性合金;其密度为7.6g/cm3,弹性模量为220000MPa,泊松比为0.3。具体地,选用结构钢、合金钢、不锈钢等材质加工,如1Cr18NiTi或者40CrNiMo。
本发明设计的是一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,当磁悬浮机构发生失稳现象时,所述轴向保护轴承(70、80)具有的缓冲和储能能够承受大惯量失稳转子的瞬间高频撞击,避免定子、转子接触的刚性撞击,大大减小了失稳造成的零件损坏的概率,从而提高了磁悬浮机构使用寿命。本发明轴向保护轴承(70、80)利用四个柔性簧片结构体的轴承内圈的弹性变形吸收掉大量的转子能量而不至于损坏磁悬浮机构的技术手段,从而实现对磁轴承保护的技术效果。
簧片的尺寸设计
本发明设计的柔性簧片轴向保护轴承的柔性运动关系:
在本发明中,若轴向保护轴承承受轴向载荷时,轴向保护轴承内部(如图2B、图2C)的A簧片1、B簧片2、C簧片3和D簧片4以中心点O区分为A翅片70D、B翅片70E、C翅片70F和D翅片70G进行变形(如图3A所示)。承受轴向载荷,参见图3所示,当从磁悬浮高速旋转设备的转子10向轴向保护轴承70的A端盖70A产生一个轴向力F时,四个翅片将向轴向变形,G通孔17和H通孔18的孔延展,使得转子10的动能转化为对A翅片70D与B翅片70E的弹性势能,或者转子10的动能转化为对C翅片70F与D翅片70G的弹性势能,最终达到轴向柔性保护的目的。普通轴向保护轴承在轴向只承受单向载荷,其为刚体,而本发明的柔性轴向保护轴承则承受轴向对称载荷。运行时,柔性轴向保护轴承的端盖受转子失稳产生强制形变,在转子转动时则不再产生周期性形变,不仅存在与普通轴承类似的由接触疲劳引起的疲劳点蚀现象,还存在由交变应力引起的弯曲疲劳现象。
本发明是一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,所要解决的是在转子失稳现象发生时,如何使保护轴承具有缓冲和储能功能的技术问题,本发明保护轴承利用簧片与通孔的自身的弹性变形吸收掉大量的转子能量而不至于损坏零部件的技术手段,从而实现对磁轴承保护的技术效果。
实施例1
为了说明本发明设计的分段开式柔性片段径向保护轴承的受力分析,采用了高速磁悬浮永磁电机(2017年3月,第25卷第3期,《光学精密工程》,高速磁悬浮永磁电机多物理场分析及转子损耗优化。)中保护轴承的安装方式。在电机整体结构中介绍了安装在转子左侧的是径向保护轴承、而右侧的是轴向保护轴承。为了体现本发明径向保护轴承30的应用,请参考图1A和图1B所示。转子10的左端上安装有径向保护轴承30,转子10的右端上安装有A轴向保护轴承70和B轴向保护轴承80,A轴向保护轴承70与B轴向保护轴承80通过转子10的推力盘40分开,且A轴向保护轴承70的外部是A挡圈50,B轴向保护轴承80的外部是B挡圈60。
以315kw磁悬浮鼓风机系统为平台,完成失稳实验,实验表明柔性轴向保护轴承可通过自身的变形将转子的动能转化为弹性势能储存,避免了转子和磁轴承发生接触,可有效保护磁轴承不受损坏。
图5所示的不同簧片厚度下的轴向保护轴承刚度曲线,在轴向保护轴承的外圈直径140mm、轴向保护轴承的内圈直径85mm(即A中心通孔70C的直径),优化不同簧片厚度参数,对簧片厚度(图4中的d)为3mm、3.5mm、4mm、4.5mm和5mm的轴向保护轴承进行冲击性能仿真,所加载的冲击力幅值为6000N、7000N、8000N、9000N、10000N,读取当动载荷达到最大时,保护轴承的单元节点最大变形量,得出不同簧片厚度的轴向保护轴承的应变能位移曲线,以此来考察不同簧片厚度下的保护轴承的刚度大小。结果表明,对于簧片厚度为4mm和4.5mm时的轴向保护轴承的刚度最佳。
图6所示的不同厚度簧片保护轴承的应变能性能曲线,对簧片厚度为3mm、3.5mm、4mm、4.5mm和5mm的轴向保护轴承进行冲击性能仿真,分析簧片厚度对轴承应变能大小的影响,通过加载不同的冲击力得到每个厚度下应变能-位移的关系曲线,最终选择在相同冲击力作用下,强度较大且轴承自身应变能较大的簧片厚度。结果表明,1mm厚度簧片的轴承,其轴承变形量和应变能的关系最佳。
Claims (7)
1.一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,轴向保护轴承安装在转子(10)的推力盘40的两端;其特征在于:柔性簧片轴向保护轴承的外部有A端盖(70A)、B端盖(70B)、A中心通孔(70C);轴向保护轴承的内部有A簧片(1)、B簧片(2)、C簧片(3)、D簧片(4);
A端盖(70A)的内面板与A簧片(1)的一端、C簧片(3)的一端的接合处有A通孔(11);
A端盖(70A)的内面板与C簧片(3)的另一端、B簧片(2)的一端的接合处有B通孔(12);
A端盖(70A)的内面板与C簧片(3)的两端的接合处有G通孔(17);
B端盖(70B)的内面板与A簧片(1)的另一端、D簧片(4)的一端的接合处有D通孔(14);
B端盖(70B)的内面板与D簧片(4)的另一端、B簧片(2)的另一端的接合处有C通孔(13);
B端盖(70B)的内面板与D簧片(4)的两端的接合处有H通孔(18);
A簧片(1)、C簧片(3)和D簧片(4)的接合处有E通孔(15);
B簧片(2)、C簧片(3)和D簧片(4)的接合处有F通孔(16)。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,其特征在于:性簧片轴向保护轴承中的簧片厚度为3~5mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,其特征在于:需要在转子的一端同时安装2个所述的柔性簧片轴向保护轴承。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,其特征在于:轴向保护轴承的半径记为r1,H通孔(17)的半径记为r2,簧片的厚度记为d,C簧片(3)与D簧片(4)接合处的厚度记为t,则有:
5.根据权利要求1、2或3所述的一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,其特征在于:轴向保护轴承为一体成型结构件。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,其特征在于:轴向保护轴承采用的材料是镍基弹性合金;其密度为7.6g/cm3,弹性模量为220000MPa,泊松比为0.3。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种用于磁轴承的柔性簧片轴向保护轴承,其特征在于:能够用作高速磁悬浮永磁电机的轴向保护轴承。
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